現(xiàn)在的氣體檢測(cè)中使用的是氣敏傳感器繪圖儀對(duì)傳感器的電壓信號(hào)直接繪制，由于繪圖儀的動(dòng)態(tài)跟隨性差、反應(yīng)速度慢、缺乏靈活性、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)，難以畫出高頻率高精度的氣敏傳感器的時(shí)間電壓曲線。對(duì)于氣敏傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試，繪圖儀根本無(wú)法達(dá)到要求。本文根據(jù)氣敏傳感器的性質(zhì)研究開發(fā)了利用RS232與計(jì)算機(jī)建立連接的氣敏傳感器信號(hào)采集，以此提高氣敏傳感器信號(hào)采集的精度和試驗(yàn)的人工效率。
　　
　　氣敏傳感器工作原理及其控制任務(wù)
　　
　　氣敏傳感器工作原理
　　
　　從材料上分，zui常用的氣敏傳感器有金屬氧化物，高分子聚合物材料，壓電材料，膠體敏感膜等；從用途上分有廣普型和專一型。根據(jù)試驗(yàn)需要選擇氣敏傳感器，本測(cè)量系統(tǒng)能夠適用于所有氣敏傳感器。
　　
　　氣敏傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度，使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發(fā)生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個(gè)阻值隨外部氣體變化的電阻。
　　
　　控制任務(wù)
　　
　　根據(jù)氣敏傳感器的特性設(shè)計(jì)采集任務(wù)，傳感器的溫度要求在250℃左右（或更高），在此溫度下氣體表現(xiàn)出很高的靈敏度［2］。鑒于傳感器氣敏阻值的不確定性，取樣電阻的阻值應(yīng)與氣敏電阻（氣敏材料的阻值變化在15倍以內(nèi)）的阻值相匹配。取樣電阻和加熱電壓是由計(jì)算機(jī)控制，加熱電阻Ro的功率要求在0.3~1.5W之間，Ro的值在30W左右，所以可知Ro的電壓值在1~7V之間。加熱電阻的溫度與加熱電壓的大小近似成線性關(guān)系，通過(guò)加大電壓來(lái)提高溫度，以選擇一個(gè)適合于氣體測(cè)試的溫度（通常選用5V的加熱電壓），如果是動(dòng)態(tài)測(cè)量則是使加熱電壓為一個(gè)矩形波，占空比可以由軟件設(shè)定。
　　
　　取樣電阻要求為一個(gè)離散值，它們可為1k，2k，5k，10k。就氣敏傳感器自身特性而言，它可分為幾個(gè)檔次，其氣敏膜的電阻是不恒定的。文中以氣敏膜電阻值在空氣中為10kW到有待測(cè)氣體中其阻值變化到1kW為標(biāo)準(zhǔn)介紹此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中測(cè)試電壓為一個(gè)固定值，它的精度影響到信號(hào)電壓。在實(shí)際試驗(yàn)中選定測(cè)試電壓值為5V，要求測(cè)得測(cè)試信號(hào)的值（電壓）由獲取的采樣信號(hào)可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)快速地計(jì)算出所需要測(cè)量的氣敏傳感器電阻（一般而言只需要直接看電壓的變化值），從而描繪出氣敏傳感器的阻值隨外界氣體變化的波形圖。
　　
　　氣敏傳感器信號(hào)采樣與控制電路
　　
　　通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制測(cè)試裝置能使得整個(gè)測(cè)試過(guò)程變得更簡(jiǎn)單和更。
　　
　　采樣周期的確定
　　
　　采樣周期Ts決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量：Ts太小，會(huì)使采樣信號(hào)xs（nTs）的數(shù)量劇增，占有大量的內(nèi)存單元；Ts太大，會(huì)使采樣點(diǎn)之間相距太遠(yuǎn)，模擬信號(hào)的某些信息丟失，會(huì)使采樣后的信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)的信號(hào)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)失真。因此，選擇合適地采樣保持器直接關(guān)系到信號(hào)的真實(shí)性，當(dāng)連續(xù)信號(hào)下X（t）的頻譜X（f）為有限頻譜且Ts《=1/2fc，（fc為采樣周期內(nèi)的zui高頻率），信號(hào)可以無(wú)失真的采集。氣敏傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量下，fc約為500Hz，Ts應(yīng)取1ms可滿足要求。
　　
　　芯片的選擇
　　
　　為了克服由于氣敏傳感器在制造中其阻值Rs不固定的特點(diǎn)，采樣前，采樣電阻的值應(yīng)根據(jù)氣敏傳感器的值來(lái)調(diào)節(jié)，以確保得到的信號(hào)在測(cè)量范圍之內(nèi)。同時(shí)考慮信號(hào)的值與采集電壓相匹配，信號(hào)電壓若低于采樣電壓太大則影響測(cè)量的精度。測(cè)試電壓Vc為5V，ADC采用12位相對(duì)分辨率0.0244%（1LSB），ADC的分辨率為1.22mV（1LSB）。
　　
　　Vout=［Vc/（Rc+Rs）］×Rc
　　
　　根據(jù)氣敏傳感器選擇為10k到1k檔而選擇Rc為5k的取樣電阻，可得到信號(hào)電壓Vout的值在1.666～4.166V。
　　
　　使用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)氣敏傳感器信號(hào)的采集，選取以下芯片制作單片機(jī)控制電路。
　　
　?。?）ADC：外部的測(cè)試信號(hào)是模擬量，*行模/數(shù)轉(zhuǎn)化。選取ADC1678芯片，它的分辨率是12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是5ms，轉(zhuǎn)換誤差小于1LSB，輸出電平為TTL電平，不需要外部時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓，工作電壓為＋5V或±12V。它的zui大的優(yōu)點(diǎn)是自帶有采樣保持器；
　　
　?。?）多路模擬開關(guān)：選擇所需的取樣電阻。AD7502芯片采用16腳雙列直插封式封裝，是一種雙4通道多路開關(guān)芯片，依據(jù)二位二進(jìn)制地址線A0、A1及選通斷（EN）的狀態(tài)來(lái)選擇8路輸入的兩路，分別與兩個(gè)輸出端相接通；
　　
　?。?）單片機(jī)：集成了1個(gè)8位*處理器；4kB的只讀存儲(chǔ)器；128的讀寫存儲(chǔ)器；32條I/O口線;2個(gè)定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有5個(gè)中斷器、4個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)；用于多處理器通信、I/O拓展或全雙工UART（通用異步接受發(fā)送器）的串行I/O口以及一個(gè)內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。單片機(jī)控制著測(cè)試電路的各個(gè)部分，建立計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)外部的控制。
　　
　　通信接口的設(shè)計(jì)
　　
　　IBM-PC機(jī)與單片機(jī)的連接采用零調(diào)制三線型，即只需用RDX、TXD和地線三線連接PC機(jī)和單片機(jī)。鑒于單片機(jī)的串口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平接口（3.8～5V表示“1”，0～0.3V表示“0”），而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，二者的電器規(guī)則不一致，因此要完成單片機(jī)到PC機(jī)的通信問(wèn)題必須首先解決電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。
　　
　　單片機(jī)通過(guò)TC232CPE芯片連接計(jì)算機(jī)，一片TC232CPE只需一個(gè)＋5V電源供電，即可解決兩組信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部可自動(dòng)產(chǎn)生RS232C所需要的邏輯電平，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與IBM-PC機(jī)的接口直接連接。IBM-PC機(jī)的RS232接口是通用異步發(fā)送/接收8250UART為核心構(gòu)成的，PC機(jī)的BIOS中提供了專門用于串行通信的中斷調(diào)用。
　　
　　采用光電隔離器將電壓隔離，防止高電壓對(duì)低電壓和數(shù)字電壓產(chǎn)生影響。